标准钢的特性、成分和应用

钢是一大类铁碳合金的总称，在一定温度范围内，从熔融状态凝固后立即具有延展性。

炼钢使用的主要原材料是铁矿石、煤和石灰石。这些材料在高炉中转化为一种称为“生铁”的产品，其中含有大量的碳、锰、硫、磷和硅。生铁又硬又脆，不适合直接加工成锻件。炼钢是通过从熔体中去除不需要的元素，然后以预定量添加需要的元素来精炼生铁以及钢铁废料的过程。大多数炼钢的主要反应是碳与氧结合形成气体。如果在浇注之前或浇注过程中没有从熔体中除去溶解氧，则气态产物会在凝固过程中继续释放。如果钢通过添加脱氧元素进行强脱氧，则不会产生气体，钢被称为“死”，因为它静静地躺在模具中。气体逸出程度的增加（脱氧减少）是钢的特征，称为“半杀菌”、“封端”或“镶边”。脱氧程度会影响钢的某些性能。除了氧气，钢水还含有可测量的溶解氢和氮。对于一些关键的钢铁应用，可以使用特殊的脱氧方法以及真空处理来减少和控制溶解气体。

普通钢种的碳含量范围从百分之几到百分之一左右。所有钢还含有不同数量的其他元素，主要是锰，它作为脱氧剂并有利于热加工。硅、磷和硫也总是存在，即使只是微量。其他元素也可能存在，可能是由于原材料或炼钢实践而并非有意添加的残留物，也可能是为了影响钢的性能而添加的合金元素。

钢可以铸造成型，或者铸锭或铸坯可以通过轧制、锻造、挤压或其他工艺重新加热和热加工成锻轧机形状。锻钢是最广泛使用的工程材料，具有多种形式、饰面、强度和可用温度范围。没有其他材料可以为产品设计提供可比的多功能性。

标准钢分类

可根据化学成分、脱氧实践、精加工方法或产品形式等一些共同特征对锻钢进行系统分类。化学成分是识别和分配锻钢标准名称最常用的基础。尽管碳是钢中主要的硬化和强化元素，但没有任何一种元素可以控制钢的特性。几种元素的综合作用会影响对热处理、硬度、强度、微观结构、耐腐蚀性和可成形性的响应。标准钢大致可分为三大类：碳钢、合金钢和不锈钢。

碳钢

当钢的锰含量限制在 1.65%（最大值）、硅含量限制在 0.60%（最大值）和铜含量限制在 0.60%（最大值）时，它就被称为碳钢。除指定的脱氧剂和硼外，没有有意添加其他合金元素，但它们可能作为残留物存在。如果这些附带元素中的任何一个被认为对特殊应用有害，则可以规定最大可接受限值。与大多数合金钢相比，碳钢最常在没有最终热处理的情况下使用。但是，它们可以进行退火、正火、表面硬化或淬火和回火以提高制造或机械性能。碳钢可进行镇静、半镇静、封端或滚边，必要时可规定脱氧方法。

合金钢

合金钢不仅包括那些超过碳钢元素含量限制的牌号，还包括在特定范围或特定最小值内添加了不同于碳钢元素含量的任何牌号，以提高机械性能、制造特性或钢的任何其他属性。根据这个定义，合金钢包括除碳钢以外的所有钢；然而，按照惯例，铬含量超过 3.99% 的钢被认为是合金钢的“特殊类型”，其中包括不锈钢和许多工具钢。

从技术上讲，合金钢一词是指那些含有适量合金元素（约 1-4%）并且通常依赖于热处理来发展特定机械性能的钢。合金钢总是被杀死，但特殊的关键应用可能会指定特殊的脱氧或熔化方法，包括真空。合金钢在整个制造过程中通常需要格外小心，因为它们对热和机械操作更敏感。

不锈钢

不锈钢是高合金钢，并且由于含有相对大量的铬，因此比碳钢和传统的低合金钢具有优越的耐腐蚀性。虽然其他元素也可以增加耐腐蚀性，但它们在这方面的用处有限。

不锈钢通常含有至少 10% 的铬，有或没有其他元素。然而，在美国习惯上将那些铬含量低至 4% 的钢包括在不锈钢分类中。这些钢一起形成了一个被称为不锈钢和耐热钢的家族，其中一些具有非常高的强度和抗氧化性。然而，很少有含有超过 30% 的铬或低于 50% 的铁。

从最广泛的意义上讲，标准不锈钢根据其结构可分为三组：奥氏体、铁素体和马氏体。在这三组中的每一组中，都有一种成分代表基本的通用合金。所有其他成分均来自基本合金，并通过特定的成分变化来获得非常特殊的性能。

奥氏体牌号在退火状态下是非磁性的，尽管有些在冷加工后可能会变得略带磁性。它们只能通过冷加工而不是热处理来硬化，并且在很宽的温度范围内具有出色的耐腐蚀性和耐热性以及良好的机械性能。奥氏体钢种进一步分为两个亚组：铬镍类型和不太常用的铬锰低镍类型。铬镍族中的基本成分被广泛称为18-8（Cr-Ni），是通用奥氏体牌号。该牌号是 20 多种修改的基础，其特点如下： 修改了铬镍比以改变成型特性；降低碳含量以防止晶间腐蚀；添加元素铌或钛以稳定结构；或添加了钼或增加了铬和镍的含量以提高耐腐蚀性或抗氧化性。

标准铁素体等级始终具有磁性，含有铬但不含镍。它们可以通过冷加工在一定程度上硬化，但不能通过热处理来硬化，它们将耐腐蚀和耐热性与中等的机械性能和装饰性结合在一起。铁素体等级通常被限制在比奥氏体等级更窄的腐蚀条件范围内。基本铁素体等级含有 17% 的铬。在该系列中，有自由加工改进型和铬含量增加的牌号，以提高抗氧化性。在这个铁素体组中还有一种 12% 的铬钢（马氏体组的基本成分），并添加了其他元素，例如铝或钛，以防止硬化。

标准马氏体牌号是磁性的，可以通过淬火和回火硬化。它们含有铬，除了两个例外，不含镍。基本马氏体等级通常含有 12% 的铬。马氏体系列有10多种标准成分；一些经过改性以改善机械加工性，而另一些则添加少量镍或其他元素以改善机械性能或它们对热处理的响应。还有一些在工具钢范围内大大增加了碳含量，并且可硬化到所有不锈钢的最高水平。马氏体牌号非常适合在大气、淡水、蒸汽和弱酸等温和环境中使用，但不耐严重腐蚀性溶液。

金属和合金的编号系统

各种贸易协会、专业工程协会、标准组织和私营行业已经为金属和合金开发了几种不同的编号系统供自己使用。用于识别金属或合金的数字代码可能与规格相关，也可能不相关，规格是产品必须满足的技术和商业要求的声明。使用的编号系统包括由美国钢铁协会 (AISI)、汽车工程师协会 (SAE)、美国测试与材料协会 (ASTM)、美国国家标准协会 (ANSI)、美国钢铁创始人协会开发的编号系统，美国机械工程师协会 (ASME)、美国焊接协会 (AWS)、铝业协会、铜业发展协会、美国国防部（军事规范）和总会计办公室（联邦规范）。

统一编号系统 (UNS) 是通过 ASTM 和 SAE 的共同努力开发的，旨在为具有商业地位的金属和合金提供一种关联不同编号系统的方法。该系统避免了使用多个标识号指定相同材料或将相同编号分配给两种完全不同的材料时造成的混淆。重要的是要了解 UNS 编号不是规范；它是金属和合金的识别号，其详细规格在别处提供。 UNS编号见表1；每个数字由一个字母前缀和后跟五个数字组成。在某些情况下，该字母暗示该系列所标识的金属家族，例如 A 代表铝，C 代表铜。 UNS 组中的编号尽可能包含直接取自其他系统的编号序列，以便于识别材料；例如，AISI 1020 钢对应的 UNS 编号是 G10200。用于识别普通碳钢、合金钢和工具钢的常用AISI-SAE编号对应的UNS编号见表2。

总结

本文描述了标准钢的主要类型。从亚马逊工业出版社出版的第 30 版机械手册中了解有关材料特性的更多信息。

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